據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國加州理工學院的研究人員開創(chuàng)了一種能夠使光學器件實現(xiàn)“進化”的新技術，然后通過專門的3D打印機可以實現(xiàn)制造。這些光學器件由所謂的光學超構材料制成，這種超構材料的特性源于其納米級的微小結構，能夠使相機和傳感器在小尺度上以過去無法實現(xiàn)的方式檢測并操縱光。

本研究器件的概念展示

這項研究成果由美國加州理工學院應用物理和電氣工程William L. Valentine教授Andrei Faraon實驗室完成，近期已經(jīng)以“3D-patterned inverse-designed mid-infrared metaoptics”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。

該研究所制造光學器件的SEM圖像，高度5 μm

這并不是Andrei Faraon教授團隊第一次開發(fā)光學超構材料，但他表示，這是其第一次將這些光學超構材料推向三維尺度。

Andrei Faraon教授介紹說：“一般來說，這類器件大多是在一層很薄的材料中制作完成的。例如，利用一塊很薄的硅或其它材料，然后對其進行加工得到想要的器件。值得注意的是，光學器件可以是三維立體的。因此，我們研究的是，如果制造出的三維超構光學器件，比我們試圖控制的光的波長更小，可能會發(fā)生什么。”

為了演示并驗證所開發(fā)的新設計，Andrei Faraon教授實驗室打造了一種微型器件，可以通過波長和偏振對入射光（本例中為紅外光）進行“分選”。

多光譜和線偏振光分選器件的制作和測量結果

盡管已有器件能夠以這種方式分離光，但Andrei Faraon教授實驗室制造的器件可以處理可見光，并且尺寸足夠小，能夠直接放置在相機的傳感器上，從而將紅光引導到一個像素，將綠光引導到另一個像素，將藍光引導到第三個像素。同樣，還可以這樣處理偏振光，構建一種可以檢測表面方向的相機，這對于創(chuàng)建增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實（AR/VR）空間很有用。

另外，這些器件的形貌也有些意想不到。大多數(shù)光學器件都像透鏡或棱鏡一樣平滑且光亮，但Andrei Faraon教授實驗室開發(fā)的超構光學器件看起來有些雜亂，就像蟻穴內(nèi)部一樣復雜。這是因為這些器件通過一種算法演進而來，該算法不斷調(diào)整其設計，直到它們能夠以所需要的方式運行，類似于人工培育一種善于放羊的牧羊犬。

“這種設計軟件的核心是一個迭代過程。”該論文主要作者、研究生Gregory Roberts解釋說，“在優(yōu)化的每一步，它都可以選擇如何修改器件。在進行一小步改變后，它會計算出如何進行下一步微調(diào)，最終，得到了這種看起來很炫的結構。并且，對于我們一開始設定的目標功能，它們表現(xiàn)出了很高的性能。”

Andrei Faraon教授補充稱：“事實上，對于這些設計我們沒有直觀的理解，因為這些設計是通過優(yōu)化算法產(chǎn)生的。由此，我們會得到這些能夠執(zhí)行特定功能的形狀。例如，如果我們想把光聚焦到一個點（基本上就是透鏡的功能），然后為該功能運行仿真，很可能會得到看起來與透鏡非常相似的結果。然而，我們的目標功能相當復雜，需要以某種特定模式分選不同的波長。這就是為什么最后得到的器件形狀不是那么的直觀。”

為了將這些設計從計算機模型轉化為真實器件，研究人員采用了一種被稱為雙光子聚合（TPP）光刻的3D打印技術，它可以用激光選擇性地硬化液體樹脂。這與業(yè)余愛好者使用的一些3D打印機沒有什么不同，只是它可以更精確地硬化樹脂，從而構建特征尺寸小于1微米的結構。

Andrei Faraon教授說，目前這項研究還是概念驗證，通過進一步的研究，有望利用更實際的制造技術來制造。

審核編輯：劉清